Na2He ნაერთის სამგანზომილებიანი სტრუქტურა
მოსკოვის ფიზიკისა და ტექნოლოგიის ინსტიტუტის, სკოლტეჩის, ნანჯინგის უნივერსიტეტისა და სტონი ბრუკის უნივერსიტეტის მეცნიერთა საერთაშორისო ჯგუფმა, არტემ ოგანოვის ხელმძღვანელობით, იწინასწარმეტყველა და შეძლო ლაბორატორიაში მიეღო ნატრიუმის და ჰელიუმის სტაბილური ნაერთი - Na 2 He. მსგავსი ნაერთები შეიძლება მოხდეს დედამიწისა და სხვა პლანეტების ნაწლავებში, ძალიან მაღალი წნევისა და ტემპერატურის პირობებში. ჟურნალში გამოქვეყნებული კვლევა ბუნების ქიმიაიუტას უნივერსიტეტის პრესრელიზი ასევე მოკლედ იუწყება სტატიის შესახებ. აღსანიშნავია, რომ ნაწარმოების წინასწარი ვერსია ავტორებმა წინასწარი ბეჭდვის სახით 2013 წელს გამოაქვეყნეს.
ჰელიუმი, ნეონის მსგავსად, ქიმიურად ყველაზე ინერტული ელემენტია პერიოდულ სისტემაში და ძნელად რეაგირებს მისი შევსებული გარე ელექტრონული გარსის, მაღალი იონიზაციის პოტენციალისა და ნულოვანი ელექტრონის მიახლოების გამო. დიდი ხნის განმავლობაში, მეცნიერები ცდილობდნენ იპოვონ მისი სტაბილური ნაერთები, მაგალითად, ფტორთან (HHeF და (HeO) (CsF)), ქლორთან (HeCl) ან ლითიუმთან (LiHe), მაგრამ ასეთი ნივთიერებები არსებობს შეზღუდული დროით. არსებობს ჰელიუმის სტაბილური ნაერთები (ეს არის NeHe 2 და [ელფოსტა დაცულია] 2 O), თუმცა ჰელიუმი პრაქტიკულად არ მოქმედებს ელექტრონულ სტრუქტურაზე და ასოცირდება სხვა ატომებთან ვან დერ ვაალის ძალებით. თუმცა, სიტუაცია შეიძლება შეიცვალოს, თუ ცდილობთ იმუშაოთ მაღალ წნევაზე - ასეთ პირობებში კეთილშობილი აირები უფრო აქტიური ხდება და ქმნიან ნაერთებს, როგორიცაა მაგნიუმის ოქსიდები (Mg-NG, სადაც NG არის Xe, Kr ან Ar). ამიტომ გადაწყდა ასეთი ნაერთების ჰელიუმით მოძიება.
მკვლევარებმა ჩაატარეს ფართომასშტაბიანი ძიება ჰელიუმის შესაძლო სტაბილური ნაერთების სხვადასხვა ელემენტებით (H, O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs და ასე შემდეგ) USPEX-ის (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) გამოყენებით. ) კოდი შემუშავებული ოგანოვისა და მისი კოლეგების მიერ 2004 წელს. აღმოჩნდა, რომ მხოლოდ ნატრიუმი ქმნის სტაბილურ ნაერთს He-თან ლაბორატორიული ექსპერიმენტებისთვის ხელმისაწვდომი წნევის პირობებში. შემდეგ გადაწყდა Na-He სისტემის სტაბილური ნაერთის მოძიება, ფორმირების მინიმალური ენთალპიით (ანუ ყველაზე სტაბილური) სხვადასხვა წნევით. გამოთვლები აჩვენებს, რომ ეს იქნება Na 2 He ნაერთი. ამ ნივთიერების წარმოქმნის რეაქცია შესაძლებელია 160 გპაზე ზევით ზეწოლის დროს, მაშინ როცა ეს იქნება ეგზოთერმული, ე.ი. სითბოს გათავისუფლებით. 50 GPa-ზე დაბალ წნევაზე კავშირი არასტაბილური იქნება.
Na-He სისტემის თერმოდინამიკური მახასიათებლები სხვადასხვა წნევით
თეორიული გამოთვლების შესამოწმებლად, გადაწყდა, რომ შეეცადოს პროგნოზირებული ნაერთის მიღება ლაზერული გამოსხივებით გაცხელებული ალმასის კოჭების გამოყენებით. მათში ნატრიუმის თხელი ფირფიტები ჩატვირთეს, დანარჩენი სივრცე კი აირისებრი ჰელიუმით იყო სავსე. ექსპერიმენტების დროს მეცნიერებმა აიღეს რამანის სპექტრები, გარდა ამისა, სისტემის მდგომარეობის მონიტორინგი ხდებოდა ვიზუალურად და სინქროტრონის რენტგენის დიფრაქციის მეთოდის გამოყენებით. შემდეგ მიღებული მონაცემები შეადარეს გამოთვლების საფუძველზე პროგნოზირებულ მონაცემებს.
Na2He-ს კრისტალური სტრუქტურა 300 გპა-ზე (a,b) და მასში ელექტრონის სიმკვრივის განაწილება (გ) გრაფენის ახალი ნათესავი, ალუმინის ორი ფორმა, რომელიც არსებობს მაღალ წნევაზე, ასევე პირველად ფენების „წებება“. ზეგამტარში, რომელსაც, როგორც აღმოჩნდა, თან ახლავს მისი ზეგამტარი თვისებების დაკარგვა.
ალექსანდრე ვოიტიუკი
მოსკოვი, 6 თებერვალი - რია ნოვოსტი.რუსი და უცხოელი ქიმიკოსები აცხადებენ ყველაზე "ქსენოფობიური" ელემენტის - ჰელიუმის ორი სტაბილური ნაერთის არსებობის შესაძლებლობას და ექსპერიმენტულად დაადასტურეს ერთი მათგანის - ნატრიუმის ჰელიდის არსებობა, ნათქვამია ჟურნალ Nature Chemistry-ში გამოქვეყნებულ სტატიაში.
„ეს კვლევა გვიჩვენებს, თუ როგორ შეიძლება სრულიად მოულოდნელი ფენომენების გამოვლენა ყველაზე თანამედროვე თეორიული და ექსპერიმენტული მეთოდების გამოყენებით. ჩვენი ნაშრომი კიდევ ერთხელ გვიჩვენებს, თუ რამდენად ცოტა ვიცით დღეს ექსტრემალური პირობების ქიმიაზე გავლენის შესახებ და ამ ფენომენების როლზე პლანეტების შიგნით მიმდინარე პროცესებზე. უნდა ავხსნათ“, - ამბობს არტემ ოგანოვი, პროფესორი Skoltech-ისა და Moscow Phystech-ში დოლგოპრუდნიში.
კეთილშობილი გაზების საიდუმლოებები
სამყაროს პირველადი მატერია, რომელიც წარმოიშვა დიდი აფეთქებიდან რამდენიმე ასეული მილიონი წლის შემდეგ, შედგებოდა მხოლოდ სამი ელემენტისაგან - წყალბადი, ჰელიუმი და ლითიუმის კვალი. ჰელიუმი დღესაც მესამე ყველაზე უხვი ელემენტია სამყაროში, მაგრამ ის უკიდურესად იშვიათია დედამიწაზე და პლანეტაზე ჰელიუმის მარაგი მუდმივად მცირდება იმის გამო, რომ ის კოსმოსში გადის.
ჰელიუმის და პერიოდული ცხრილის მერვე ჯგუფის სხვა ელემენტების გამორჩეული თვისება, რომელსაც მეცნიერები უწოდებენ "კეთილშობილ გაზებს", არის ის, რომ ისინი უკიდურესად უხალისოა - ქსენონის და სხვა მძიმე ელემენტების შემთხვევაში - ან პრინციპში, ნეონის მსგავსად, არიან. ვერ შედის ქიმიურ რეაქციებში. 1925 წელს ექსპერიმენტულად აღმოაჩინეს ქსენონისა და კრიპტონის მხოლოდ რამდენიმე ათეული ნაერთი ფტორით, ჟანგბადით და სხვა ძლიერი ჟანგვითი აგენტებით, ნეონის ნულოვანი ნაერთებით და ერთი ჰელიუმის ნაერთებით.
ეს ნაერთი, პროტონისა და ჰელიუმის შეერთება, არ არის ნამდვილი ქიმიური ნაერთი ამ სიტყვის მკაცრი გაგებით - ჰელიუმი ამ შემთხვევაში არ მონაწილეობს ქიმიური ბმების წარმოქმნაში, თუმცა ის გავლენას ახდენს წყალბადის ატომების ქცევაზე, რომლებიც მოკლებულია. ელექტრონი. როგორც ქიმიკოსები ადრე ვარაუდობდნენ, ამ ნივთიერების „მოლეკულები“ ვარსკვლავთშორის გარემოში უნდა ყოფილიყო ნაპოვნი, მაგრამ ბოლო 90 წლის განმავლობაში ასტრონომებმა ისინი ვერ აღმოაჩინეს. ამის შესაძლო მიზეზი არის ის, რომ ეს იონი ძალზე არასტაბილურია და ნადგურდება თითქმის ნებისმიერ სხვა მოლეკულასთან შეხებისას.
არტემ ოგანოვი და მისი გუნდი დაინტერესდნენ, შეიძლება თუ არა ჰელიუმის ნაერთები არსებობდეს ეგზოტიკურ პირობებში, რაზეც ხმელეთის ქიმიკოსები იშვიათად ფიქრობენ - ულტრამაღალ წნევასა და ტემპერატურაზე. ოგანოვი და მისი კოლეგები ამგვარ „ეგზოტიკურ“ ქიმიას დიდი ხანია სწავლობენ და ასეთ პირობებში არსებული ნივთიერებების ძიების სპეციალური ალგორითმიც კი შეიმუშავეს. მისი დახმარებით მათ აღმოაჩინეს, რომ ეგზოტიკური ორთოკარბონის მჟავა, ჩვეულებრივი სუფრის მარილის "შეუძლებელი" ვერსიები და რიგი სხვა ნაერთები, რომლებიც "არღვევენ" კლასიკური ქიმიის კანონებს, შეიძლება არსებობდეს გაზის გიგანტებისა და სხვა პლანეტების სიღრმეში.
იგივე სისტემის გამოყენებით USPEX-მა, რუსმა და უცხოელმა მეცნიერებმა დაადგინეს, რომ ულტრა მაღალი წნევის დროს, რომელიც აღემატება ატმოსფერულ წნევას 150 ათასი და მილიონჯერ, ერთდროულად არის ორი სტაბილური ჰელიუმის ნაერთი - ნატრიუმის ჰელიდი და ნატრიუმის ოქსიგელიდი. პირველი ნაერთი შედგება ორი ნატრიუმის ატომისა და ერთი ჰელიუმის ატომისგან, ხოლო მეორე შედგება ჟანგბადის, ჰელიუმის და ნატრიუმის ორი ატომისგან.
სუპერმაღალმა წნევამ გამოიწვია მარილის ქიმიის წესების „დარღვევა“.ამერიკელ-რუსმა და ევროპელმა ქიმიკოსებმა ჩვეულებრივი სუფრის მარილი ქიმიურად „შეუძლებელ“ ნაერთად აქციეს, რომლის მოლეკულები ორგანიზებულია სხვადასხვა რაოდენობის ნატრიუმის და ქლორის ატომების ეგზოტიკურ სტრუქტურებად.ატომი ალმასის კოჭზე
ორივე ზეწოლა ადვილად მიიღწევა თანამედროვე ალმასის კოჭების გამოყენებით, რაც ოგანოვის კოლეგებმა გააკეთეს სხვა რუსი ალექსანდრე გონჩაროვის ხელმძღვანელობით ვაშინგტონის გეოფიზიკური ლაბორატორიიდან. როგორც მისმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, ნატრიუმის გელიდი იქმნება დაახლოებით 1,1 მილიონი ატმოსფეროს წნევის დროს და სტაბილური რჩება მინიმუმ 10 მილიონ ატმოსფერომდე.
საინტერესოა, რომ ნატრიუმის ჰელიდი აგებულებით და თვისებებით ჰგავს ფტორის მარილებს, ჰელიუმის „მეზობელს“ პერიოდულ სისტემაში. ამ „მარილში“ ყოველი ჰელიუმის ატომი გარშემორტყმულია ნატრიუმის რვა ატომით, კალციუმის ფტორიდის ან ფტორმჟავას ნებისმიერი სხვა მარილის სტრუქტურის მსგავსი. Na2He-ში შემავალი ელექტრონები იმდენად ძლიერად არიან „მიზიდული“ ატომებისკენ, რომ ეს ნაერთი, ნატრიუმისგან განსხვავებით, იზოლატორია. მეცნიერები ასეთ სტრუქტურებს იონურ კრისტალებს უწოდებენ, ვინაიდან ელექტრონები მათში უარყოფითად დამუხტული იონების როლს და ადგილს იკავებს.
ჩვენ მიერ აღმოჩენილი ნაერთი ძალიან უჩვეულოა: თუმცა ჰელიუმის ატომები უშუალოდ არ მონაწილეობენ ქიმიურ კავშირში, მათი არსებობა ძირეულად ცვლის ქიმიურ ურთიერთქმედებას ნატრიუმის ატომებს შორის, რაც ხელს უწყობს ვალენტური ელექტრონების ძლიერ ლოკალიზაციას, რაც შედეგად მასალას იზოლატორად აქცევს. განმარტავს სიაო დონგი ტიანჯინის (ჩინეთი) ნანკანის უნივერსიტეტიდან.
კიდევ ერთი ნაერთი, Na2HeO, აღმოჩნდა სტაბილური წნევის დიაპაზონში 0,15-დან 1,1 მილიონ ატმოსფერომდე. ნივთიერება ასევე იონური კრისტალია და აქვს Na2He-ს მსგავსი სტრუქტურა, მხოლოდ მათში უარყოფითად დამუხტული იონების როლს თამაშობენ არა ელექტრონები, არამედ ჟანგბადის ატომები.
საინტერესოა, რომ ყველა სხვა ტუტე ლითონი, რომლებსაც აქვთ უფრო მაღალი რეაქტიულობა, გაცილებით ნაკლებად სავარაუდოა, რომ წარმოქმნან ნაერთები ჰელიუმთან იმ წნევის დროს, რომელიც აღემატება ატმოსფერულ წნევას არაუმეტეს 10 მილიონი ჯერ.
ოგანოვი და მისი კოლეგები ამას მიაწერენ იმ ფაქტს, რომ ორბიტები, რომლებზეც ელექტრონები მოძრაობენ კალიუმის, რუბიდიუმის და ცეზიუმის ატომებში შესამჩნევად იცვლება წნევის მატებასთან ერთად, რაც არ ხდება ნატრიუმთან, ჯერ კიდევ გაუგებარი მიზეზების გამო. მეცნიერები თვლიან, რომ ნატრიუმის გელიდი და სხვა მსგავსი ნივთიერებები გვხვდება ზოგიერთი პლანეტის, თეთრი ჯუჯების და სხვა ვარსკვლავების ბირთვში.
ლითიუმის ჰელიუმის მოლეკულა LiHe არის ერთ-ერთი ყველაზე მყიფე მოლეკულა, რომელიც ცნობილია. მისი ზომა ათჯერ აღემატება წყლის მოლეკულების ზომას.
ჰელიუმის (მარცხნივ) და ლითიუმის (მარჯვნივ) ატომების პირობითი სტრუქტურა.
© ბირმინგემის უნივერსიტეტი
როგორც ცნობილია, ნეიტრალურ ატომებსა და მოლეკულებს შეუძლიათ შექმნან მეტ-ნაკლებად სტაბილური ბმები ერთმანეთთან სამი გზით. პირველი, კოვალენტური ბმების დახმარებით, როდესაც ორი ატომს აქვს ერთი ან მეტი საერთო ელექტრონული წყვილი. კოვალენტური ბმები ყველაზე ძლიერია სამიდან. მათი რღვევის დამახასიათებელი ენერგია ჩვეულებრივ უდრის რამდენიმე ელექტრონ ვოლტს.
მნიშვნელოვნად სუსტი კოვალენტური წყალბადის ბმები. ეს არის მიზიდულობა, რომელიც ხდება შეკრულ წყალბადის ატომსა და სხვა მოლეკულის ელექტროუარყოფით ატომს შორის (ჩვეულებრივ, ასეთი ატომი არის ჟანგბადი ან აზოტი, ნაკლებად ხშირად ფტორი). იმისდა მიუხედავად, რომ წყალბადის ბმების ენერგია ასობით ჯერ ნაკლებია კოვალენტურ ბმებთან შედარებით, სწორედ ისინი განსაზღვრავენ წყლის ფიზიკურ თვისებებს და ასევე გადამწყვეტ როლს თამაშობენ ორგანულ სამყაროში.
და ბოლოს, ყველაზე სუსტია ეგრეთ წოდებული ვან დერ ვაალსის ურთიერთქმედება. ზოგჯერ მას ასევე უწოდებენ დისპერსიულს. იგი წარმოიქმნება ორი ატომის ან მოლეკულის დიპოლ-დიპოლური ურთიერთქმედების შედეგად. ამ შემთხვევაში, დიპოლები შეიძლება იყოს თანდაყოლილი მოლეკულებისთვის (მაგალითად, წყალს აქვს დიპოლური მომენტი), ან გამოწვეული იყოს ურთიერთქმედების შედეგად.
პირობითი დიაგრამა, რომელიც განმარტავს, თუ როგორ წარმოიქმნება დისპერსიული ძალები.© აკრონის უნივერსიტეტი
ვან დერ ვაალსის ბმის დამახასიათებელი ენერგია არის კელვინის ერთეული (ზემოთ ნახსენები ელექტრონ ვოლტი შეესაბამება დაახლოებით 10000 კელვინს). ვან დერ ვაალს შორის ყველაზე სუსტი არის შეერთება ორ ინდუცირებულ დიპოლს შორის. თუ არსებობს ორი არაპოლარული ატომი, მაშინ თერმული მოძრაობის შედეგად, თითოეულ მათგანს აქვს გარკვეული შემთხვევით რხევადი დიპოლური მომენტი (ელექტრონული გარსი, თითქოს, ოდნავ კანკალებს ბირთვთან შედარებით). ამ მომენტებს, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, უპირატესად აქვთ ისეთი ორიენტაცია, რომ ორი ატომ იწყებს მიზიდვას.
ყველა ატომიდან ყველაზე ინერტული ჰელიუმია. ის არ შედის კოვალენტურ კავშირებში სხვა ატომებთან. ამავდროულად, მისი პოლარიზაციის მნიშვნელობა ძალიან მცირეა, ანუ მისთვის რთულია დისპერსიული ობლიგაციების შექმნა. თუმცა არის ერთი მნიშვნელოვანი გარემოება. ჰელიუმის ატომში ელექტრონები იმდენად ძლიერად არის შეკრული ბირთვით, რომ მისი მიახლოება შესაძლებელია სხვა ატომებთან უგუნური ძალების შიშის გარეშე - ამ ატომის რადიუსის რიგის მანძილზე. დისპერსიული ძალები ძალიან სწრაფად იზრდება ატომებს შორის მანძილის შემცირებით - უკუპროპორციულია მანძილის მეექვსე ხარისხთან!
აქედან წარმოიშვა იდეა: თუ ჰელიუმის ორ ატომს მიახლოვებთ ერთმანეთს, მაშინ მათ შორის მაინც წარმოიქმნება მყიფე ვან დერ ვაალსის ბმა. ეს, მართლაც, 1990-იანი წლების შუა ხანებში განხორციელდა, თუმცა დიდ ძალისხმევას მოითხოვდა. ასეთი კავშირის ენერგია არის მხოლოდ 1 mK და He2 მოლეკულა მცირე რაოდენობით იქნა აღმოჩენილი სუპერგაცივებული ჰელიუმის ჭავლებში.
ამავე დროს, He2 მოლეკულის თვისებები მრავალი თვალსაზრისით უნიკალური და უჩვეულოა. ასე რომ, მაგალითად, მისი ზომა არის ... დაახლოებით 5 ნმ! შედარებისთვის, წყლის მოლეკულის ზომა არის დაახლოებით 0,1 ნმ. ამავდროულად, ჰელიუმის მოლეკულის მინიმალური პოტენციური ენერგია ეცემა ბევრად უფრო მოკლე მანძილზე - დაახლოებით 0,2 ნმ - თუმცა, უმეტეს დროს - დაახლოებით 80% - ჰელიუმის ატომები მოლეკულაში გვირაბის რეჟიმში ხარჯავენ, ანუ რეგიონი, სადაც ისინი მდებარეობენ კლასიკური მექანიკის ფარგლებში, არ შეიძლებოდა.
ასე გამოიყურება ჰელიუმის მოლეკულა.ატომებს შორის საშუალო მანძილი ბევრად აღემატება მათ ზომას.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe Universität
ჰელიუმის შემდეგ შემდეგი უდიდესი ატომი არის ლითიუმი, ამიტომ ჰელიუმის მოლეკულის მიღების შემდეგ ბუნებრივი გახდა ჰელიუმსა და ლითიუმს შორის კავშირის დაფიქსირების შესაძლებლობის შესწავლა. 2013 წელს მეცნიერებმა საბოლოოდ მოახერხეს ამის გაკეთება. ლითიუმ-ჰელიუმის LiHe მოლეკულას აქვს უფრო მაღალი შეკავშირების ენერგია, ვიდრე ჰელიუმ-ჰელიუმი - 34 ± 36 mK, ხოლო ატომებს შორის მანძილი, პირიქით, უფრო მცირეა - დაახლოებით 2,9 ნმ. თუმცა, ამ მოლეკულაშიც კი, ატომები უმეტესად კლასიკურად აკრძალულ მდგომარეობებში არიან ენერგეტიკული ბარიერის ქვეშ. საინტერესოა, რომ LiHe მოლეკულის პოტენციური ჭა იმდენად მცირეა, რომ მას შეუძლია არსებობდეს მხოლოდ ერთ ვიბრაციულ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში, რომელიც რეალურად არის ორმაგი გაყოფა ⁷Li ატომის სპინის გამო. მისი ბრუნვის მუდმივი იმდენად დიდია (დაახლოებით 40 mK), რომ ბრუნვის სპექტრის აგზნება იწვევს მოლეკულის განადგურებას.
განხილული მოლეკულების პოტენციალი (მყარი მრუდები) და მათში ატომების ტალღური ფუნქციების კვადრატული მოდული (დატეხილი მრუდები). წერტილები ასევე აღინიშნება PM - პოტენციური მინიმალური, OTP - გარე შემობრუნების წერტილი ყველაზე დაბალი ენერგიის დონისთვის, MIS - შეწონილი საშუალო მანძილი ატომებს შორის.© ბრეტ ესრი/კანზას სახელმწიფო უნივერსიტეტი
ჯერჯერობით მიღებული შედეგები საინტერესოა მხოლოდ ფუნდამენტური თვალსაზრისით. თუმცა, ისინი უკვე აინტერესებთ მეცნიერების მონათესავე დარგებს. ამრიგად, მრავალი ნაწილაკების ჰელიუმის გროვები შეიძლება გახდეს კაზიმირის ვაკუუმში დაყოვნების ეფექტის შესასწავლად. ჰელიუმ-ჰელიუმის ურთიერთქმედების შესწავლა ასევე მნიშვნელოვანია კვანტური ქიმიისთვის, რომელსაც შეუძლია გამოსცადოს თავისი მოდელები ამ სისტემაზე. და, რა თქმა უნდა, ეჭვგარეშეა, რომ მეცნიერები შეიმუშავებენ სხვა საინტერესო და მნიშვნელოვან აპლიკაციებს ისეთი ექსტრავაგანტული ობიექტებისთვის, როგორიცაა He2 და LiHe მოლეკულები.
მეცნიერებმა მოახერხეს ლითიუმ-ჰელიუმის მოლეკულის LiHe მოპოვება და რეგისტრაცია. ეს არის ერთ-ერთი ყველაზე მყიფე მოლეკულა, რომელიც ცნობილია. და მისი ზომა ათჯერ აღემატება წყლის მოლეკულების ზომას.
როგორც ცნობილია, ნეიტრალურ ატომებსა და მოლეკულებს შეუძლიათ შექმნან მეტ-ნაკლებად სტაბილური ბმები ერთმანეთთან სამი გზით. პირველი, კოვალენტური ბმების დახმარებით, როდესაც ორი ატომს აქვს ერთი ან მეტი საერთო ელექტრონული წყვილი. კოვალენტური ბმები ყველაზე ძლიერია სამიდან. მათი რღვევის დამახასიათებელი ენერგია ჩვეულებრივ უდრის რამდენიმე ელექტრონ ვოლტს.
მნიშვნელოვნად სუსტი კოვალენტური წყალბადის ბმები. ეს არის მიზიდულობა, რომელიც ხდება შეკრულ წყალბადის ატომსა და სხვა მოლეკულის ელექტროუარყოფით ატომს შორის (ჩვეულებრივ, ასეთი ატომი არის ჟანგბადი ან აზოტი, ნაკლებად ხშირად ფტორი). იმისდა მიუხედავად, რომ წყალბადის ბმების ენერგია ასობით ჯერ ნაკლებია კოვალენტურ ბმებთან შედარებით, სწორედ ისინი განსაზღვრავენ წყლის ფიზიკურ თვისებებს და ასევე გადამწყვეტ როლს თამაშობენ ორგანულ სამყაროში.
და ბოლოს, ყველაზე სუსტია ეგრეთ წოდებული ვან დერ ვაალსის ურთიერთქმედება. ზოგჯერ მას ასევე უწოდებენ დისპერსიულს. იგი წარმოიქმნება ორი ატომის ან მოლეკულის დიპოლ-დიპოლური ურთიერთქმედების შედეგად. ამ შემთხვევაში, დიპოლები შეიძლება იყოს თანდაყოლილი მოლეკულებისთვის (მაგალითად, წყალს აქვს დიპოლური მომენტი) ან გამოწვეული იყოს ურთიერთქმედების შედეგად.
ვან დერ ვაალსის ბმის დამახასიათებელი ენერგია არის კელვინის ერთეული (ზემოთ ნახსენები ელექტრონ ვოლტი შეესაბამება დაახლოებით 10000 კელვინს). ვან დერ ვაალს შორის ყველაზე სუსტი არის შეერთება ორ ინდუცირებულ დიპოლს შორის. თუ არსებობს ორი არაპოლარული ატომი, მაშინ თერმული მოძრაობის შედეგად, თითოეულ მათგანს აქვს გარკვეული შემთხვევით რხევადი დიპოლური მომენტი (ელექტრონული გარსი, თითქოს, ოდნავ კანკალებს ბირთვთან შედარებით). ამ მომენტებს, რომლებიც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, უპირატესად აქვთ ისეთი ორიენტაცია, რომ ორი ატომ იწყებს მიზიდვას.
ყველა ატომიდან ყველაზე ინერტული ჰელიუმია. ის არ შედის კოვალენტურ კავშირებში სხვა ატომებთან. ამავდროულად, მისი პოლარიზაციის მნიშვნელობა ძალიან მცირეა, ანუ მისთვის რთულია დისპერსიული ობლიგაციების შექმნა. თუმცა არის ერთი მნიშვნელოვანი გარემოება. ჰელიუმის ატომში ელექტრონები იმდენად ძლიერად არის შეკრული ბირთვით, რომ მისი მიახლოება შესაძლებელია სხვა ატომებთან უგუნური ძალების შიშის გარეშე - ამ ატომის რადიუსის რიგის მანძილზე. დისპერსიული ძალები ძალიან სწრაფად იზრდება ატომებს შორის მანძილის შემცირებით - უკუპროპორციულია მანძილის მეექვსე ხარისხთან!
აქედან წარმოიშვა იდეა: თუ ჰელიუმის ორ ატომს მიახლოვებთ ერთმანეთს, მაშინ მათ შორის მაინც წარმოიქმნება მყიფე ვან დერ ვაალსის ბმა. ეს, მართლაც, 1990-იანი წლების შუა ხანებში განხორციელდა, თუმცა დიდ ძალისხმევას მოითხოვდა. ასეთი ბმის ენერგია მხოლოდ 1 მკკ-ია და He2 მოლეკულა მცირე რაოდენობით იქნა აღმოჩენილი სუპერგაცივებული ჰელიუმის ჭავლებში.
ამავდროულად, He2 მოლეკულის თვისებები მრავალი თვალსაზრისით უნიკალური და უჩვეულოა. ასე რომ, მაგალითად, მისი ზომა არის ... დაახლოებით 5 ნმ! შედარებისთვის, წყლის მოლეკულის ზომა არის დაახლოებით 0,1 ნმ. ამავდროულად, ჰელიუმის მოლეკულის მინიმალური პოტენციური ენერგია ეცემა ბევრად უფრო მოკლე მანძილზე - დაახლოებით 0,2 ნმ - თუმცა, უმეტეს დროს - დაახლოებით 80% - ჰელიუმის ატომები მოლეკულაში გვირაბის რეჟიმში ხარჯავენ, ანუ რეგიონი, სადაც ისინი მდებარეობენ კლასიკური მექანიკის ფარგლებში, არ შეიძლებოდა.
ჰელიუმის შემდეგ შემდეგი უდიდესი ატომი არის ლითიუმი, ამიტომ ჰელიუმის მოლეკულის მიღების შემდეგ ბუნებრივი გახდა ჰელიუმსა და ლითიუმს შორის კავშირის დაფიქსირების შესაძლებლობის შესწავლა. ახლა კი, საბოლოოდ, მეცნიერებმა შეძლეს ამის გაკეთება. ლითიუმ-ჰელიუმის LiHe მოლეკულას აქვს უფრო მაღალი შეკავშირების ენერგია, ვიდრე ჰელიუმ-ჰელიუმი - 34 ± 36 mK, ხოლო ატომებს შორის მანძილი, პირიქით, უფრო მცირეა - დაახლოებით 2,9 ნმ. თუმცა, ამ მოლეკულაშიც კი, ატომები უმეტესად კლასიკურად აკრძალულ მდგომარეობებში არიან ენერგეტიკული ბარიერის ქვეშ. საინტერესოა, რომ LiHe მოლეკულის პოტენციალი ჭაბურღილი იმდენად მცირეა, რომ მას შეუძლია არსებობდეს მხოლოდ ერთ ვიბრაციულ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში, რომელიც რეალურად არის ორმაგი გაყოფა 7Li ატომის სპინის გამო. მისი ბრუნვის მუდმივი იმდენად დიდია (დაახლოებით 40 mK), რომ ბრუნვის სპექტრის აგზნება იწვევს მოლეკულის განადგურებას.
ბრეტ ესრი/კანზას სახელმწიფო უნივერსიტეტი
ჯერჯერობით მიღებული შედეგები საინტერესოა მხოლოდ ფუნდამენტური თვალსაზრისით. თუმცა, ისინი უკვე აინტერესებთ მეცნიერების მონათესავე დარგებს. ამრიგად, მრავალი ნაწილაკების ჰელიუმის გროვები შეიძლება გახდეს კაზიმირის ვაკუუმში დაყოვნების ეფექტის შესასწავლად. ჰელიუმ-ჰელიუმის ურთიერთქმედების შესწავლა ასევე მნიშვნელოვანია კვანტური ქიმიისთვის, რომელსაც შეუძლია გამოსცადოს თავისი მოდელები ამ სისტემაზე. და, რა თქმა უნდა, ეჭვგარეშეა, რომ მეცნიერები შეიმუშავებენ სხვა საინტერესო და მნიშვნელოვან აპლიკაციებს ისეთი ექსტრავაგანტული ობიექტებისთვის, როგორიცაა He2 და LiHe მოლეკულები.
ალბათ გსმენიათ ფრაზა "შენ ხარ ვარსკვლავური მტვრისგან" - და ეს ასეა. ბევრი ნაწილაკი, რომელიც ქმნის თქვენს სხეულს და თქვენს გარშემო არსებულ სამყაროს, ჩამოყალიბდა ვარსკვლავების შიგნით მილიარდობით წლის წინ. მაგრამ არის მასალები, რომლებიც ჩამოყალიბდა თავიდანვე, სამყაროს დაბადების შემდეგ.
ზოგიერთი ასტრონომი თვლის, რომ ისინი გამოჩნდნენ დიდი აფეთქებიდან რამდენიმე წუთის შემდეგ. სამყაროში ყველაზე უხვი ელემენტებია წყალბადი და ჰელიუმი, ქიმიური ლითიუმის ძალიან მცირე რაოდენობით.
ასტრონომებს მცირე სიზუსტით შეუძლიათ განსაზღვრონ, თუ რამდენი იყო ლითიუმი ადრეულ სამყაროში. ამისათვის თქვენ უნდა შეისწავლოთ უძველესი ვარსკვლავები. მაგრამ მიღებული შედეგები არ ემთხვევა - ძველ ვარსკვლავებში აღმოჩნდა 3-ჯერ ნაკლები ლითიუმი, ვიდრე მოსალოდნელი იყო! ამ საიდუმლოს მიზეზი ჯერჯერობით უცნობია.
მოდით უფრო ახლოს მივხედოთ...
მკაცრად რომ ვთქვათ, ჩვენი დაკვირვების ამჟამინდელ დონეზე, შეცდომა არ უნდა იყოს: ლითიუმი ძალიან ცოტაა. სიტუაცია აშკარად მიანიშნებს რაღაც ახალ ფიზიკაზე, ჩვენთვის უცნობ პროცესზე, რომელიც მოხდა დიდი აფეთქების შემდეგ.
ამ თემაზე უახლესი კვლევა შეეხო დიდი აფეთქების შემდეგ ყველაზე ნაკლებად შეცვლილ რეგიონებს - ძველი ვარსკვლავების ატმოსფეროებს, რომლებიც მდებარეობს ირმის ნახტომის პერიფერიაზე. ვინაიდან ისინი იზოლირებულია ბირთვიდან, სადაც შესაძლებელია ლითიუმის წარმოება, გვიანი დაბინძურების ალბათობა, რომელიც გავლენას მოახდენს შედეგებზე, ძალიან მცირე უნდა იყოს. მათი ატმოსფერო შეიცავს ლითიუმ-7-ის სიმულაციების მიერ პროგნოზირებული დონის მხოლოდ მესამედს. Მიზეზები? ერთი ახსნა არის ის, რომ ის დაიხრჩო. ვარსკვლავების ატმოსფეროდან ლითიუმმა უბრალოდ დაიწყო ჩაძირვა ვარსკვლავების მატერიაში, თანდათან მიაღწია მათ სიღრმეებს. ამიტომ, ეს არ ჩანს მათ ატმოსფეროში.
კრისტოფერ ჰოუკმა ნოტრ-დამის უნივერსიტეტიდან (ინდიანა, აშშ) და მისმა კოლეგებმა აიღეს ვალდებულება დაემოწმებინათ შედეგები მცირე მაგელანის ღრუბლის, ირმის ნახტომის სატელიტური გალაქტიკის მონაცემების საფუძველზე. და იმისათვის, რომ თავი დაეღწია "ჩაძირული ლითიუმის" ეფექტისა და ადგილობრივი ვარსკვლავური პროცესების სხვა გავლენისგან, მკვლევარებმა გააანალიზეს ვარსკვლავთშორისი გაზის შემცველობა ამ ჯუჯა გალაქტიკაში და ვარაუდობენ, რომ ის უნდა იამაყოს თავისი ლითიუმით: ის უბრალოდ არაფერი აქვს აქ ჩასახრჩო.
ევროპის სამხრეთ ობსერვატორიის ძალიან დიდი ტელესკოპის დაკვირვების გამოყენებით, ასტრონომებმა აღმოაჩინეს იმდენი ლითიუმი, რამდენიც დიდი აფეთქების მოდელმა იწინასწარმეტყველა, როგორც ეს ჟურნალ Nature-შია ნათქვამი. მაგრამ ეს, სამწუხაროდ, დიდად არ დაეხმარა საკითხის მოგვარებაში. ფაქტია, რომ ლითიუმი სამყაროში მუდმივად წარმოიქმნება ბუნებრივი პროცესების მსვლელობისას და სუპერნოვას აფეთქებები თანაბრად ანაწილებს მას მეტაგალაქტიკაში, ისევე როგორც ყველა სხვა ელემენტი, რომელიც წარმოიქმნება სიღრმეებში. ახალმა შედეგებმა, კრისტოფერ ჰოუკის თქმით, მხოლოდ ამძაფრა ლითიუმის საიდუმლო: „ამ პრობლემის გადაჭრაზე მხოლოდ იმ შემთხვევაში შეგვიძლია ვისაუბროთ, თუ დიდი აფეთქების შემდეგ არ მომხდარა ლითიუმის ხელმისაწვდომ რაოდენობაში ცვლილება“. და ეს მხოლოდ მაგელანის პატარა ღრუბლის მასშტაბზეა!
რაც მთავარია, ძალიან ძნელი წარმოსადგენია, რომ დაახლოებით 12-13 მილიარდი წლის განმავლობაში თერმობირთვული შერწყმა, რამაც შექმნა ძალიან მძიმე ელემენტები, რომლებიც დედამიწაზე სიცოცხლეს აძლევდა, ლითიუმი რატომღაც არ იყო წარმოებული. ყოველ შემთხვევაში, თერმობირთვული ნუკლეოსინთეზის ჩვენი დღევანდელი გაგება არ გვაძლევს ასეთი ჰიპოთეზის წამოყენების საშუალებას.
კიდევ უფრო უარესი, მიგელ პატოს ახალმა ნაშრომმა მიუნხენის ტექნიკური უნივერსიტეტიდან (გერმანია) და ფაბიო იოკოს სტოკჰოლმის უნივერსიტეტიდან (შვედეთი) აჩვენა, რომ არა მხოლოდ სუპერმასიური შავი ხვრელები გალაქტიკების ბირთვებში, არამედ ყველაზე გავრცელებული (და სხვა) მრავალრიცხოვანი) ვარსკვლავური წარმოშობის შავი ხვრელები უნდა გამოიმუშაონ ლითიუმი თავიანთ აკრეციულ დისკებში და საკმაოდ ინტენსიურად.
ახლა აღმოჩნდა, რომ თითქმის ყველა მიკროკვაზარი (უბრალოდ BH სისტემა - აკრეციული დისკი) უნდა შექმნას ლითიუმი. მაგრამ თეორიულად, ისინი ბევრად მეტი უნდა იყოს, ვიდრე SMBH, აღნიშნავს მიგელ პატო.
მოკლედ, ამ საკითხში ჯერ სიცხადე არ არის. მაგალითად, კრისტოფერ ჰოუკი ვარაუდობს, რომ დიდი აფეთქების შემდეგ, სამყაროში შეიძლება მოხდეს ზოგიერთი ეგზოტიკური რეაქცია ფიზიკური თვალსაზრისით, რომელშიც ბნელი მატერიის ნაწილაკები მონაწილეობდნენ და ისინი თრგუნავდნენ ლითიუმის წარმოქმნას. ამით შეიძლება აიხსნას, თუ რატომ არის უფრო მეტი ლითიუმი მაგელანის პატარა ღრუბელში, ვიდრე ჩვენს გალაქტიკაში: ჯუჯა გალაქტიკები, რომლებიც მოიცავს MMO-ს, ნაკლებად აქტიური უნდა ყოფილიყვნენ ბნელი მატერიის მიზიდვაში ადრეულ სამყაროში. ეს ნიშნავს, რომ ამ ჰიპოთეტურ რეაქციებს ნაკლები გავლენა ჰქონდა მათში ლითიუმის კონცენტრაციაზე. მისტერ ჰოუკი აპირებს ამ იდეის გამოცდას მცირე მაგელანის ღრუბლის უფრო ღრმა შესწავლის დახმარებით...
აქამდე ლითიუმის ძებნა მხოლოდ ჩვენი გალაქტიკის უახლოეს ვარსკვლავებში შეგვეძლო. ასე რომ, ასტრონომთა ჯგუფმა შეძლო ლითიუმის შემცველობის დონის განსაზღვრა ვარსკვლავურ გროვაში ჩვენი გალაქტიკის გარეთ.
ვარსკვლავურ გროვას Messier 54-ს აქვს საიდუმლო - ის არ ეკუთვნის ირმის ნახტომს და არის თანამგზავრული გალაქტიკის ნაწილი - ჯუჯა ელიფსური გალაქტიკა მშვილდოსანში. მტევნის ამ მდებარეობამ მეცნიერებს საშუალება მისცა შეემოწმებინათ, არის თუ არა ლითიუმის სიმრავლე ვარსკვლავებში ირმის ნახტომის გარეთ.
ირმის ნახტომის სიახლოვეს არის 150-ზე მეტი გლობულური ვარსკვლავური გროვა, რომელიც შედგება ასობით ათასი უძველესი ვარსკვლავისგან. ერთ-ერთი ასეთი გროვა, მშვილდოსნის თანავარსკვლავედში სხვებთან ერთად, აღმოაჩინა მე-18 საუკუნის ბოლოს ფრანგმა კომეტაზე მონადირე ჩარლზ მესიემ და ატარებს მის სახელს მესიე 54.
ორ საუკუნეზე მეტი ხნის განმავლობაში, მეცნიერები შეცდომით თვლიდნენ, რომ M54 არის იგივე გროვა, როგორც ყველა დანარჩენი ირმის ნახტომში, მაგრამ 1994 წელს აღმოაჩინეს, რომ ეს ვარსკვლავური გროვა ეკუთვნის სხვა გალაქტიკას - ჯუჯა ელიფსურ გალაქტიკას მშვილდოსანში. ასევე აღმოჩნდა, რომ ობიექტი დედამიწიდან 90 000 სინათლის წლის მანძილზე იყო, რაც სამჯერ აღემატება მზესა და გალაქტიკის ცენტრს შორის მანძილს.
ამ დროისთვის, ასტრონომები აკვირდებიან M54-ს VLT Survey-ით და ცდილობენ გადაჭრან თანამედროვე ასტრონომიაში ერთ-ერთი ყველაზე დამაბნეველი კითხვა ვარსკვლავებში ლითიუმის არსებობასთან დაკავშირებით.
ამ სურათზე შეგიძლიათ იხილოთ არა მხოლოდ თავად მტევანი, არამედ ძალიან მკვრივი წინა პლანზე, რომელიც შედგება ირმის ნახტომის ვარსკვლავებისგან. ფოტო ESO-ს მიერ.
ადრე ასტრონომებს მხოლოდ ირმის ნახტომის ვარსკვლავებში ლითიუმის სიმრავლის დადგენა შეეძლოთ. თუმცა, ბოლონიის უნივერსიტეტის ალესიო მუჩიარელის ხელმძღვანელობით მკვლევარმა ჯგუფმა გამოიყენა VLT Survey ლითიუმის სიმრავლის გასაზომად ექსტრაგალაქტიკურ ვარსკვლავურ გროვაში M54. კვლევამ აჩვენა, რომ ძველ ვარსკვლავებში M54 ლითიუმის რაოდენობა არ განსხვავდება ირმის ნახტომის ვარსკვლავებისგან. ამიტომ, სადაც კი ლითიუმი ქრება, ირმის ნახტომს აბსოლუტურად არაფერი აქვს საერთო.
მეტალის ლითიუმი
ლითიუმი არის ყველაზე მსუბუქი ლითონი, 5-ჯერ მსუბუქია ვიდრე ალუმინი. ლითიუმმა მიიღო სახელი იმის გამო, რომ იგი ნაპოვნი იყო "ქვებში" (ბერძნ. λίθος - ქვა). სახელი შემოგვთავაზა ბერცელიუსმა. ეს არის სამი ელემენტიდან ერთ-ერთი (წყალბადისა და ჰელიუმის გარდა), რომელიც ჩამოყალიბდა პირველადი ნუკლეოსინთეზის ეპოქაში დიდი აფეთქების შემდეგ, ვარსკვლავების დაბადებამდე. მას შემდეგ მისი კონცენტრაცია სამყაროში პრაქტიკულად უცვლელი დარჩა.
ლითიუმი სამართლიანად შეიძლება ეწოდოს თანამედროვე ცივილიზაციისა და ტექნოლოგიების განვითარების ყველაზე მნიშვნელოვან ელემენტს. წარსულში და წინა საუკუნეში ყველაზე მნიშვნელოვანი მჟავების და ლითონების, წყლისა და ენერგიის მატარებლების წარმოების ინდიკატორები იყო სახელმწიფოების სამრეწველო და ეკონომიკური ძალაუფლების განვითარების კრიტერიუმები. 21-ე საუკუნეში ლითიუმი მტკიცედ და მუდმივად შევიდა ასეთი მაჩვენებლების სიაში. დღეს ლითიუმს განსაკუთრებული ეკონომიკური და სტრატეგიული მნიშვნელობა აქვს მოწინავე ინდუსტრიულ ქვეყნებში.
ახალი ვარსკვლავის Nova Delphini 2013 (V339 Del) შესწავლით, ასტრონომებმა შეძლეს ლითიუმის ქიმიური წინამორბედის აღმოჩენა, რითაც გააკეთეს პირველი პირდაპირი დაკვირვება პერიოდულ სისტემაში მესამე ელემენტის ფორმირების პროცესებზე - რაც ადრე მხოლოდ ვარაუდობდნენ. თეორიულად.
„ამ დრომდე მეცნიერებს არ ჰქონიათ ახალი ვარსკვლავებში ლითიუმის წარმოქმნის პირდაპირი მტკიცებულება, მაგრამ ჩვენი კვლევის ჩატარების შემდეგ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ასეთი პროცესები მიმდინარეობს“, - თქვა ახალი სამეცნიერო ნაშრომის მთავარმა ავტორმა, აკიტო ტაიცუმ ეროვნული ობსერვატორიიდან. იაპონიის.
ახალი ვარსკვლავების აფეთქება ხდება მაშინ, როდესაც ახლო ორობით ვარსკვლავურ სისტემაში მატერია მიედინება მისი ერთ-ერთი შემადგენელი ვარსკვლავიდან კომპანიონი ვარსკვლავის - თეთრი ჯუჯის ზედაპირზე. უკონტროლო თერმობირთვული რეაქცია იწვევს ვარსკვლავის სიკაშკაშის მკვეთრ მატებას, რაც, თავის მხრივ, იწვევს წყალბადზე და ჰელიუმზე მძიმე ელემენტების წარმოქმნას, რომლებიც მნიშვნელოვანი რაოდენობითაა წარმოდგენილი სამყაროს ვარსკვლავების უმეტესობაში.
ასეთი აფეთქების შედეგად წარმოქმნილი ერთ-ერთი ქიმიური ელემენტია ფართოდ გავრცელებული ლითიუმის იზოტოპი Li-7. მიუხედავად იმისა, რომ მძიმე ქიმიური ელემენტების უმეტესობა წარმოიქმნება ვარსკვლავების ბირთვებში და ზეახალი აფეთქებების დროს, Li-7 ძალიან მყიფე ელემენტია იმისთვის, რომ გაუძლოს ვარსკვლავური ბირთვების უმეტესობაში შენარჩუნებულ მაღალ ტემპერატურას.
სამყაროში არსებული ლითიუმის ნაწილი წარმოიქმნა დიდი აფეთქების შედეგად. გარდა ამისა, ლითიუმის გარკვეული რაოდენობა შეიძლება წარმოიქმნას კოსმოსური სხივების ვარსკვლავებთან და ვარსკვლავთშორის მატერიასთან ურთიერთქმედების შედეგად. თუმცა, ეს პროცესები არ ხსნის დღეს სამყაროში არსებული ლითიუმის გადაჭარბებულ რაოდენობას.
1950-იან წლებში მეცნიერებმა ვარაუდობენ, რომ სამყაროში ლითიუმი შეიძლება წარმოიქმნას ბერილიუმის იზოტოპისგან Be-7, რომელიც წარმოიქმნება ვარსკვლავების ზედაპირთან ახლოს და შეიძლება გადავიდეს გარე სივრცეში, სადაც მცირდება მაღალი ტემპერატურის გავლენა მასალაზე და ჩამოყალიბებული ლითიუმი რჩება სტაბილურ მდგომარეობაში. თუმცა, ამ დრომდე, დედამიწიდან ვარსკვლავის ზედაპირთან წარმოქმნილი ლითიუმის დაკვირვება საკმაოდ რთული ამოცანა იყო.
ტაიტსუმ და მისმა გუნდმა გამოიყენეს სუბარუს ტელესკოპი ჰავაიზე დაკვირვებისთვის. დაკვირვების პერიოდში ჯგუფმა ნათლად დააფიქსირა, თუ როგორ გადაიქცა ნუკლიდი Be-7, რომლის ნახევარგამოყოფის პერიოდი 53 დღეა, Li-7-ად.
